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1、成都理工大学工程技术学院毕业论文高楼供水系统设计作者姓名：张 三专业名称：计算机科学与技术指导教师：李 四 讲师成都理工大学工程技术学院学位论文诚信承诺书本人慎重承诺和声明：1.本人已认真学习学位论文作假行为处理办法（中华人民共和国教育部第34号令）、成都理工大学工程技术学院学位论文作假行为处理实施细则（试行）（成理工教发201330号）文件并已知晓教育部、学院对论文作假行为处理的有关规定，知晓论文作假可能导致作假者被取消学位申请资格、注销学位证书、开除学籍甚至被追究法律责任等后果。2.本人已认真学习成都理工大学工程技术学院毕业设计指导手册，已知晓学院对论文撰写的内容和格式要求。3.本人所提交
2、的学位论文（题目： ），是在指导教师指导下独立完成，本人对该论文的真实性、原创性负责。若论文按有关程序调查后被认定存在作假行为，本人自行承担相应的后果。承诺人（学生签名）： 20 年 月 日 注：学位论文指向我校申请学士学位所提交的本科学生毕业实习报告、毕业论文和毕业设计报告。高楼供水系统设计摘要伴随当代社会经济的持续发展，城市建设规模不断扩张，因为土地资源持续缩减的现状，高层楼宇的建设具备关键的价值。伴随民众对供水质量以及相关系统可靠性的标准持续提升，之前的供水系统逐渐无法满足高层楼宇的供水需要。在世界各国提倡节省资源，降低损耗，发展低碳经济的宏观环境中，使用领先的自动控制技术、检测和传感器
3、技术和通信技术，设计出性能齐全、损耗较少、可以适应多个行业的恒压供水系统就变成重中之重。利用分析与对比，本文设计出高楼层基于PLC的变频恒压供水系统。此系统的主要特点是节省资源、确保运作稳定、便于后期维护，主要包含可编程控制器、变频器、水泵电机组等众多部分，完成高楼供水顺利的自动化体系。主要是通过多种反馈压力值，自主调节水泵输出量，不只可以节约之前使用调节阀门开关而损耗在内部阻力以及截流掉的能量，此外还可以减少因设备多次开启和暂停对整个系统的负面影响，弱化对整个电压的负面影响，防止设备猛然加速导致系统的喘振问题，可以全面解决现实问题。关键词：高层楼宇 恒压供水 变频调速 PLCVAbstrac
4、tHigh-rise building construction has a very important significance,Along with the rapid development of modern society 、economy Urban construction scale and Facing the increasingly shortage of land resources。The traditional water supply system has been difficult to satisfy high-rise building water su
5、pply demand. Along with the people continuously improve of water quality and water supply system reliability requirement. Throngs suing advanced automatic control technology detection， sensor technology，communication technology，Design high performance， low energy consumption， adapting different fiel
6、ds of constant pressure water supply system becomes a necessary trend， Under the background of international social advocacy saving energy consumption， and low carbon economy development。Humans designed a set of high-rise buildings based on PLC， frequency constant pressure water supply system .Throu
7、gh the research and compare this paper.，This kind of system is safe system with energy saving environmental protection. System security and stability using very convenient about the automatic water system and is composed by convenient usage and maintenance of water supply control system which consis
8、ts mainly of PLC， frequency converter， pump electrical units， pressure sensor， realize the automation of building water supply.，The system can self-adjust output water pump through the different feedback pressure value， and also can save the traditional adoption of regulating valves open degree and
9、consumption in the pipeline resistance and intercepting the loss of energy， and save because of constant speed pump of frequent start-stop net system of the impact energy and for grid voltage fluctuation caused by the influence of the motor， avoid sudden acceleration caused pump system surge， can el
10、iminate water hammer phenomenon Keyword： High-rise Building， Constant Pressure Water Supply ， Variable velocity Variable frequency，PLC目 录摘要IAbstractII前言11 高楼供水系统概述11.1 本课题产生的背景和意义11.2 变频恒压供水的现况11.2.1 国内外变频供水系统现状11.2.2 变频供水系统应用范围21.3 高层楼宇常用供水模式21.4 本课题主要工作42 调速恒压供水系统能耗与安全性分析62.1 供水系统的基本模型和主要参数62.2 供水
11、系统的特性曲线和工作点72.2.1 扬程特性 82.2.2管阻特性92.2.3 供水系统的工作点92.3 供水系统中恒压实现方式102.4 异步电动机调速方法102.4.1 变极调速112.4.2变转差调速122.4.3 变频调速122.5 变频调速恒压供水系统能耗分析132.5.1 转速控制调节流量实现节能132.5.2 转速控制供水系统的工作效率高142.5.3 变频调速电机运行效率高152.6供水系统安全性讨论152.6.1 水锤效应152.6.2 产生水锤效应的原因及消除办法152.6.3 变频调速对供水系统安全性的作用163 变频调速恒压供水控制系统设计183.1 供水系统总体方案的
12、确定183.1.1 用户需求183.1.2 方案确定183.2 控制系统的硬件设计203.2.1系统主要配置的选型203.2.2 主电路方案设计223.2.3 控制电路设计233.2.4 PLC的I/O端子分配及接线图253.2.5 变频器功能设定及接线图264 恒压供水系统软件设计294.1 系统工作流程图294.2 PLC的程序设计流程图304.3 程序编写314.3.1 主程序324.3.2 子程序32总结33参考文献34致谢36附件1 主程序37附录2 子程序37前言水是我们赖以生存的主要资源，当前人类繁衍和经济发展都需要依赖此资源。在各个地区的供水系统中，大致依靠供水站的电动机促进水
13、泵进行不断运作，形成压力促使网路内的水资源稳步流通，把此类管网内的水资源稳步输送到所有人。然而此类供水系统运作的时候，也会消耗大量的资源，假如可以在提升设备效率、确保其平稳运作时，我们也会消耗相应的资源，就可以得到更好的效果。国内供水机泵的特征是数目多、范围宽广、种类多，在工程规模上也具备相应水平，然而在技术能力、工程标准和经济效益指标等部分和其他国家领先水平进行比较，依旧有相应的差异。伴随社会经济的持续进步，大众对供水质量以及相关系统的可靠性标准更加严苛。评估供水质量的关键要求是供水压力是否恒定，由于水压恒定对部分工业或特殊用户来说十分关键，比如在出现火警的时，假如系统压力不够或缺少水资源，
14、就不能顺利灭火，会造成明显的经济亏损或人员伤害。然而各方用水量变化较大，所以供需两者间出现的不平衡问题非常突出，此外主要体现在供水压力上：用水多但是供水少，那么供水压力不高；反之供水压力高。维持管网的水压恒定供水，促使供水与用水两者间维持均衡，不只提升供水产量以及质量，此外还能保证供水生产和电机运作的安全稳定性。变频调速技术凭借自身优秀的节能效果与平稳可行的控制体系，在风机、水泵、制冷压缩机等众多高损耗设备中充分使用。通过变频与自动控制科技的全面融合，在国内众多供水公司中承担供水任务，不只可以在一定程度上节省水资源，提升此类公司的现实效率，此外还可以确保此类系统的顺利运作。此类系统汇聚变频技术
15、、电气传动技术、当代控制技术等。使用的时候可以充分提高系统综合稳定性和可执行性，便于完成系统的内部管理与调节，此外还能得到较好的节省资源的效果，提升最终效率。因此设计此类恒定水压供水系统，对于提升公司效率与广大民众的生活水平，此外减少资源浪费等具有关键价值。251 高楼供水系统概述1.1 本课题产生的背景和意义国内在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等部分技术始终相对落后，工业自动化水平不高。之前的调节供水压力的模式，大部分使用多次启/停电机控制与水塔二次供水调整的模式，前者造成一定的能源损耗，此外对电网中其余负荷产生影响，设施持续启停会缩短设施寿命；后者就要充足的占地和投资。其中变频调
16、速式的运作相对平稳，并未出现多次启动问题，启动模式是软启动，设施运作相对稳定，减少电气、机械影响，也不会出现水塔供水产生的二次污染问题。因此我们就可以知道，此类供水系统表现出良好的优势，主要是供水稳定、资源不会浪费、设备占地面积少、资金用量少、调节成效好等多部分优点，此外也具有良好的应用前景与更高的现实效益。1.2 变频恒压供水的现况1.2.1 国内外变频供水系统现状变频恒压供水主要在我国科技技持续发展之后得到发展。当前其他国家的恒压供水变频器安全稳定，此类相关技术得到良好发展。其他国家的此类系统在具体设计时一般使用变频器带和水泵机组对应的模式。此类模式运作稳定，变压模式更加自主。但是不足是电
17、机数目与变频数目相同，投资费用高。当前我国有很多企业在从事变频恒压供水的设计和宣传工作，我国制造的设备一般使用进口零件组装或直接进口国外设备，融合PLC 或PID调节器完成稳定供水，在小容量、管控标准不高的供水领域内，此类设备得到较好的发展，且凭借自身费用低廉的优点占据了较大的市场，得到普遍认可。然而在大功率大容量行业内，国产设备依旧需要进行相应的改善和创新。1.2.2 变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水领域内的使用，按照使用范畴范通常被划分成三部分：(1) 小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这部分系统一般使用在厂房、楼房、高层建筑、农村加压站供水中，主要优点是电机功率较低，通常低于
18、135kW，控制系统相对便利。因为上述范围受众不多，因此是当前我国分析与宣传最多的方式。(2) 我国中小型供水厂变频恒压供水系统这部分系统一般使用在规模不大的供水厂或地区的辅助供水厂。此部分设备功率通常位于135kV320kW范围，其中电压一般是220V或380V。受到使用水厂规模和经济基础的限制，当前一般使用国产制造的变频器和设备。(3) 大型供水厂的变频恒压供水系统这部分系统主要使用在发达城市与地区的重要供水厂，主要特征是功率大(通常都超过320kW)、配件多、大部分使用此系统。这部分系统一般变频器与控制器标准较多，大部分使用进口的设备和控制系统。当前，我国除了高压变频与大部分变频供水系统
19、都号称只要改变容量就能满足多种供水需求，然而在现实使用中，各类运作环境对此类设备的标准和控制模式的需求出现差异，大部分设备无法全面通用。因此在少数特殊的中小水厂，使用通用恒压供水变频系统也无法全部达到现实需求，目前此部分中小水厂逐渐了解到上述问题，且基于现实问题对变频恒压供水系统进行相应的改进与创新。1.3 高层楼宇常用供水模式在全面分析发展变频恒压供水技术以前，对于高层楼宇的供水系统研发，供水模式通常使用下面的模式。（1）恒速泵直接供水方式在此类模式中，水泵可以从市政管网或蓄水池内抽水之后全部供给用户。在上述供水模式下水泵一般需要持续不断运作，以便确保供水水压。然而上述供水模式即便简单，投资
20、费用不高，然而其损耗多，导致水资源过度损耗，供水品质不高，进一步降低市政公用管网压力的平稳性。因为其适应性不高，当前也遭遇淘汰问题。（2）水塔的供水方式此类模式一般是由水泵向水塔供水，之后让水塔向用户供水。在水塔注满水之后，水泵暂停运作，然而水塔水位低于某位置时水泵也会运作。所以水泵的工作状态并不连贯。因为水泵一直全力运作，其节电率与水塔容量、额定流量、开停比等有一定的关系。因此比之前的供水方式相比可以节约大量资源。此外水压也相对平稳。然而此类方式资金投放高、占地面积较多、出现能量亏损与二次污染问题。假如发生故障无法自主开停水泵，会导致资源明显亏损以及供水质量的全面降低。（3）高位水箱供水方式
21、使用楼顶设高位水箱供水的模式，即便相对稳定安全，设施、技术等部分也比较完善。但是，在后期给水系统的运作、维护与管理时期，此模式出现相应的不足。出现水质二次污染情况，此外屋顶高位水箱的有效容积也会遭受建筑负荷影响。此类系统，即便是压力基本恒定系统，其中压力是水位高度。其中内部阻力也在持续变动中，在水的用户较多的时候(也就是开启阀门，放水支路多时)，内部阻力也开始降低，反之就导致阻力增加，导致供水能力下降。即便高位水箱供水因为运作比较顺畅、使用范围较大而被普遍使用，当前我国大多数高层建筑都不会使用，主要是投资较大、占地面积以及会造成环境污染等问题。（4）气压罐供水方式气压罐供水模式通常使用在消防供
22、水。在消防工程内的使用较少，通常是调整水量继而满足早期用水需求，进而取代屋顶水箱、此外当做增压设施，全面弥补原始设定高度的不足、被当做消防稳压设备，启停稳压泵和开启消防泵且发出火警讯号。以上多种用途的相同点，是都需要贮存满足相关标准的消防用水量。气压供水因为体积不大、技术要求少、不会受到高度约束等特征，近期逐渐在高层建筑内使用，然而因为此模式出现调节能力不高、水泵开启次数多、对电器设施标准相对严苛等不足，所以此系统的发展遭受阻碍。（5）变频恒压供水方式此系统是使用压力传感器将压力信号转变成相应的电流或电压信号，在相关压力下，当所需水量增加时，内部压力降低，偏差出现，此信号被传入设备中处理的时候
23、，其中形成相应的电信号控制变频器升频，设备转速提高，供水增加，压力复原。否则，水量缩减，工作远离与之前相同。因为当前过程压力偏差不大，调整时间短暂，可以保持压力不变。此系统伴随变频器和PLC应用技术的持续普及，逐渐变成全新的供水系统。主要在节能、维持水质、水压平稳性和操作的便利性与平稳可靠性等部分具备较高的优势。其逐渐变成当代高楼供水的关键模式。主要设计原理图参考下图1.3。图1.3 变频恒压供水原理图1.4 本课题主要工作本课题重点利用分析PLC来管控变频器完成恒压供水目标，利用设计了解且掌握主要工作情况，编程原理和方式。设计控制系统的主电路、控制电路，其中主要使用S7-200系列的PLC（
24、CPU222），变频器使用西门子泵类专用的变频器MM430。完成控制程序（梯形图）的设计。在控制时期，电控系统主要由S7-200完成，PID控制由变频器实现。最终，对变频恒压供水系统开展调节，对此系统在供水内所得到的节省电耗、恒定压力、维护管网等进行汇总，提出变频技术在供水行业所表现出的优势和问题。2 调速恒压供水系统能耗与安全性分析在供水体系内，用水量也在持续变动，使用恒速泵供水模式，不能确保压力恒摁钉，此外会作用于设备使用时间；假如使用阀门控制调整流量来确保管压，肯定会导致众多电能被损耗；此外水泵电机直接工频起动和制动造成的水锤效应，对管网、阀门等产生一定的负面影响。根据恒压、节能和安全性
25、需求，使用变频调速恒压供水模式是目前普遍的方式。根据统计使用变频调速技术调整流量完成恒压供水，节省资源20-50%，现实效果非常明显。在分析变频调速恒压供水系统节能机理和安全性以前，需要深入分析此类系统的部分主要概念与特点。2.1 供水系统的基本模型和主要参数供水系统的基本模型如图2.1所示。摩擦损失吸入口水压全 扬 程实 际 扬 程泵H0H1H3H2水面L0a)全扬程的概念 b)基本模型图2.1 供水系统的基本模型图中： 水泵中心位置； 吸水口水位； 水平面水位； 管道最高处水位； 在管道高度不受约束的时候，水泵可以促使泵水上扬的最高水位。表示泵水能力。在实际管道系统内，此位置并未出现。必须
26、在高于管道真实最高位置的时候，才可正常水。一般参数是：1流量 单位时间内流过管道内某截面的水流量，一般单位是/min；2扬程 被叫做水头，是供水系统将水从某位置上扬到其他位置时水位的变化量，数值上是对照的水位差，一般单位是m；3真实扬程 供水系统内，真实最高水位和最低水位两者的水位差，也就是供水系统真实提升的水位。也就是：=-；4全扬程 水泵可以泵水上扬的最高水位和吸入口的水位两者的水位差。全扬程的高低表示水泵泵水能力。也就是：=-； 5损失扬程 全扬程和真实扬程之差，也就是损失扬程。，两者关系是： =+。供水系统为了确保供水，其全扬程需要超过真实扬程，多余的扬程不仅可以提升和管控水的流速，此
27、外还能抵偿相关管道内的摩擦亏损；6管阻 阀门与管道系统对水流的阻力与阀门开度、流量多少、管道系统等众多因素相关，无法精准统计，一般使用扬程与流量之间的关系曲线来叙述；7压力 表示供水系统内某位置水压多少的物理量。其多少在静态时一般和管路内结构以及身处位置有关，但是在动态时期，通常和各方之间的均衡状况相关。2.2 供水系统的特性曲线和工作点供水系统的参数表示供水功能。然而相关参数并非是永远不变的，彼此之间出现相应的紧密关系以及变化规律。上述关系与变化规律使用供水系统的特性曲线直接表现，一般是扬程与管组特性曲线，参考图2.2。利用下述特性曲线图可全面了解供水系统的功能，明确具体工作点。图2.2中：
28、ABN图2.2 供水系统特性曲线曲线额定转速时的扬程特性曲线；曲线转速时的扬程特性曲线；曲线阀门开度100%时的管阻特性曲线；曲线阀门开度不足100%时的管阻特性曲线。 2.2.1 扬程特性 将管路内阀门开度不变化当做基础，也就是截面积不改变，水泵在某转速中，全扬程和流量之间的关系曲线，被叫做扬程特性曲线。多种转速环境这个，扬程特性曲线不出现差异，图2.2内的曲线、主要对照于转速、，此外。曲线表示转速不变的时候，用水量增加，也就是流量增加，管道内管阻损耗增加，供水系统内全扬程减少，表现用户的用水需求情况对全扬程的影响。此处，流量多少和用户相关，用水流量用代表。用水量不变的时候，也就是不改变，转
29、速较低，水泵供水水平不高，其中全扬程也会减少。2.2.2管阻特性将水泵转速不变当做基础，阀门在某开度下，全扬程和流量之间的关系曲线，被叫做管阻特性曲线。多种阀门开度，此曲线也不同，图2.2内的曲线对照阀门开度超过曲线的开度。管阻特性表示由阀门开度来管控供水水平的特性曲线。此时转速固定，表示水泵供水水平不改变，流量多少和阀门开度相关，也就是管阻多少，主要由供水侧来确定，因此管阻特性的流量被当做是供水流量，使用代表。在真实供水管道中，流量不表现出连续性特点，并未出现供水流量和用水流量之间的差异。此时与方便表述供水能力与用水需求两者的均衡关系而假定的量。在供水流量靠近0的时候，需要的扬程是真实扬程（
30、）。表示假如全扬程较小，就无法供水。所以，真实扬程是可以供水的最基本扬程。2.2.3 供水系统的工作点扬程特性曲线与管阻特性曲线的重合点，被叫做供水系统的工作点。在此点上，供水系统不仅符合扬程特点，此外也满足管阻需求。供水系统位于均衡局面，系统平稳运作。图2.2内的点代表水泵工作于额定转速，阀门全开供水状态，是综合额定工作点。(1)供水功率供水系统向用户供水时所损耗的功率（kW)被叫做供水功率，此功率和流量、扬程的乘积为正比 （2-1）式中一一比例常数。2.3 供水系统中恒压实现方式对供水系统开展的管控，本质上就是为了达到受众对流量的需要。因此，流量是此系统的主要控制主体。其中流量多少和扬程相
31、关，扬程无法进行详细测试与管控。思考到动态状况下，管道内水压高低是扬程大小的呈现，其中扬程和供水能力(使用流量代表)、用水需求(使用用水流量代表)两者的均衡状况相关。若供水能力用水需求，则压力上升；若供水能力用水需求，则压力下降；若供水能力= 用水需求，则压力不变。因此我们就可以知道 ，流体压力的变动表现出供水能力和用水需求两者的纠纷。进而，挑选压力控制来调整管道流量。因此表示，利用恒压供水可以确保供水能力与用水流量位于均衡局面，正好全面满足用户需要的流量。未来用户需求出现改变的时候，要对供水系统进行相应的调整，以便满足流量变化需求。上述调整调主要将压力恒定当做基础来完成。普遍的调节模式是阀门
32、以及转速控制法两类。(1) 阀门控制法转速维持相同，利用调整阀门开度情况来确保流量稳定。本质上是水泵原本供水能力稳定，利用改变内部阻力情况来强行转变流量，以便满足受众对流量的需求。此时管阻特性会伴随阀门开度变动而变动，然而扬程特性稳定。(2) 转速控制法阀门开度维持稳定，利用转变水泵的转速来调整流量。本质上是利用转变水泵的供水能力尽早满足用户对流量的需要。在具体转速变化的时候，扬程特性也会出现变动，此外管阻特征没有改变。2.4 异步电动机调速方法利用转速控制法完成稳定供水目标，重点是调节设备转速。设备利用联轴器让三相异步电动机全面拖动，所以具体转速的调整，本质上是利用调整电机运作情况。此时具体
33、转速公式是： (2-2)式中 一一异步电动机的同步转速，；一一 异步电动机转子转速，；一一 异步电动机磁极对数；一一 异步电动机定子电压频率，即电源频率；一一 转差率 ，100%。由式（2-2）可知调速方法有变极调速、变转差调速和变频调速。2.4.1 变极调速因为普通异步电动机顺利运作时的转差率s不大，具体转速与同步转速相关。基于=60/P可知，在电源频率不变的时候，改变定子绕组的极对数P,同步转速随之出现改变，比如极对数增多一倍，同步转速就降低一半，之后电动机的转速大概降低一半。非常明显的是，上述方式只可以逐级进行改变，并非平缓调速。变极电动机通常都使用鼠笼式转子，由于此类转子的极对数可以自
34、主伴随定子极对数的变动而改变，使定、转子磁场的极对数始终相等而出现平均电磁转矩。假如是绕线式转子，那么定子极对数变动的时候，转子绕组需要改变接法以便得出和定子类似的极对数，并不便利。要让定子具备不同极对数，最佳方式是使用两套极对数不同的定子绕组，每次使用一套，也就是双绕组变极，显而易见，这不是非性价比高的方式，必须在部分时期才可以使用。最佳方式是：只安装一套定子绕组而使用改变绕组接法来得到两种或众多极对数，也就是单绕组变极。对于倍极比情况（比如2/4极、4/8极等）此类变极逐渐被大众所使用，伴随科技持续进步，非倍极比（比如4/6极、6/8极等）和三速（比如4/6/8等）使用此类变极也开始被全面
35、普及。在电源频率不变的时候，转变电动机的磁极对数，促进电机转速的变动。磁极对数的变动利用修改电机定子绕组的接线模式来完成。上述调速模式通常使用在单独变极电机，此外是具备极调速，级差较大，无法在整体系统内进行转速的接连调节。2.4.2变转差调速通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。三相异步电动机的转子铜损耗为 (2-3)此损耗与电机转差率为正比，也被叫做转差功率，通过电阻发热模式损耗。设备工作在额定时期，转差率不大，因此转子铜损耗不大，运作效率高。然而在供水系统内通过转速控制法完成恒压供水，为适应流量变动，设备通常无法在额定状态运作，其转速值一般较低。这个时候的转差率增加，转差功率增加，设备
36、运作效率下降。即便变转差调速内的串级调速法可以增加一定的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网。然而功率因数不高，低速时过载水平不高，因此需要和设备相对照的变压器，费用多，此外提高了中间流程的电能消耗。所以变转差调速方式不能使用转速控制法。2.4.3 变频调速通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式。这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通基本不变，其关系为=常数式中 一一变频器输出电压，一一变频器输出频率。
37、变频调速方式时，电动机的机械特性表达式 （2-4）式中 一一电机相数； 一一定子电阻；一一定子漏电抗；一一转子漏电抗折算值。 2.5 变频调速恒压供水系统能耗分析2.5.1 转速控制调节流量实现节能（1）转速控制法与阀门控制法供水能耗分析根据图2.2可知，把阀门控制法与转速控制法的特性曲线绘画在相同坐标系内。假定系统原工作在额定状态点，在所需流量缩减，从额定流量转变成时，在恒压基础上，使用阀门控制法时供水系统工作点会转移到A点，对照的供水功率和面积为正比；使用转速控制法时将系统工作点转移到B点，对照的供水功率和面积是正比。上述控制模式中的面积差=表示使用转速控制模式和其他方式相比可以节约较多的
38、资源。（2）转速调节和恒速运行供水能耗研究基于水泵比值定理，改变转速，水泵流量、扬程和轴功率全部随之改变，主要关系式是： （2-5） （2-6） （2-7）其中 ， ，主要是调速之后的水泵转速、流量、扬程与轴功率。根据上述关系可知，在转速降低时，轴功率按照转速改变的3次方关系降低，因此转速对功率的作用非常明显。通常在设计中，水泵都思考在恶劣工况下供水，水泵在选择的时候依照水泵额定工作点选择与装置应用，也就是按额定工作点设计。然而在现实运作的时候，管网用水量一般低于恶劣工况。此时，假如减少转速相对于恒速泵供水运作，可以让水泵轴功率不断降低。因此我们就可以知道 ，在供水系统内依照用水量多少，利用变
39、频模式调整水泵转速的模式来完成供水可以得到良好的现实成效。此外上述模式在用水量不多的时候可以得到最突出的节能成效。2.5.2 转速控制供水系统的工作效率高(1) 工作效率的定义供水系统的工作效率为水泵的供水功率与轴功率之比，即 (2-8)此效率主要涵盖水泵自身效率在内的完整系统效率。式(2.8)中 ，表示水泵是在特定流量、扬程下运作时需要的外来功率，也就是设备的输出功率；是供水系统的输出功率，水得到的真实功率，根据真实供水扬程与流量统计。供水时期的损耗一般源自水泵自身机械、水力、容积与管路内管阻等多部分亏损。(2) 供水系统工作效率的近似计算公式水泵工作效率相对值的近似计算公式如下 (2-9)
40、式(2.9) 中 效率、流量和转速的相对值均小于1。有以下关系，、 、为常数，遵循如下规律-=1。 (3) 不同控制方式时的工作效率阀门控制法方式，因转速不变，=1，比值=，随着流量的减小，减小，水泵工作的效率降低十分明显。转速控制模式时，由于阀门开度稳定，根据式(2-4)，流量与转速为正比，比值稳定。也就是水泵工作效率不发生改变，始终位于最佳时期。因此，此模式和阀门控制模式进行比较，系统运作效率更高。也是变频调速供水系统具备节能效果的主要部分。2.5.3 变频调速电机运行效率高在设定供水系统时候，额定扬程与流量通常预留多余的数量，此外，真实用水流量一般无法达到设定值，设备通常位于轻载时期，在
41、恒速运作时效率和功率因数不高。使用变频调速模式变频器可以依照负载轻重调节输入电压，进而提升电动机现实效率。这就是变频调速供水系统具备节能成效的最后一个部分。2.6供水系统安全性讨论2.6.1 水锤效应在短暂时期内，因为水流量猛烈改变，造成内部压强出现相应的改变，且造成空化状态，促使管道受压形成噪声，就好似锤子敲击管道，被叫做水锤效应。此效应具备较强的损坏性。压强太高，会造成管子损坏；压强太低，会造成管子瘪塌。另外，此效应也许会伤害阀门与固定件。2.6.2 产生水锤效应的原因及消除办法造成水锤效应的根本因素，是水泵在开启以及制动时期的动态转矩太高，短期内流量明显变化。使用变频调速，利用缩减此类转
42、矩，可全面去除上述问题。水泵动态转矩多少作用于水泵加速时间，影响加速过程流量变化，因此随之确定此问题的强弱。拖动系统中，动态转矩；：是电动机的拖动转矩；：就是供水系统的制动转矩。图2.4表现出全压与变频起动时期动态转矩状况。图呢你曲线是异步电动机的机械特点，曲线是水泵机械特点。图2.4b)内锯齿状线是变频起动时期的动态转矩。根据图2.4我们就能知道，水泵在直接起动时期，由于动态转矩较大，导致明显的水锤效应，利用变频起动，可全面弱化动态转矩去除此效应。停机过程效果类似。OOa)全压起动 b)变频起动图2.4 水泵的直接起动和变频起动2.6.3 变频调速对供水系统安全性的作用使用变频调速，对系统稳
43、定性具备一定的积极影响：(1) 去除水锤效应，弱化对水泵和管道系统的影响，在一定程度上增加水泵和管道系统的使用时间；(2) 减少水泵转速，减少工作时期的平均转矩，进而降低叶片承担的应力，防止轴承库受损，促使水泵使用时间持续增加；(3) 防止电机与水泵的硬起动，进一步增加联轴器使用时间；(4)减少起动电流，随之弱化系统对电网的影响，提升当前系统的稳定性。3 变频调速恒压供水控制系统设计3.1 供水系统总体方案的确定3.1.1 用户需求此系统总体标准：(1) 通过众多水泵机组完成完整系统，主要范围120m3/h，扬程大概80米；(2) 设定小泵当做辅助，用来进行小规模运作；(3) 压力需要保持稳定
44、不改变恒定，特别是在换泵时需要维持稳定；(4) 系统可自主平稳运作，为方便检查和处理问题，需要预留手动功能；(5) 不同泵都可以稳定完成软启动；(6) 具备强大的保护和预警能力；(7) 确保运作时期可以节省更多的资源。3.1.2 方案确定明确供水系统综合设计预案的主要基础是设计供水能力可以达到系统最不利点用水标准，此外也要依照用户用水量变化种类，思考方案适用性、节能性和其余技术标准。基于用户用水时段特征可把用户用水量变化种类划分成连续型、间歇型两部分。依照流量变动特征，也需要详细划分成高流量、低流量，全流量等不同变化型。不同季节、时间，流量变化类型也会出现一定的差异。连续型表示一天内基本上都会
45、出现流量，或原本管网泄漏就会促使相应流量的存在。间歇型表示一天内出现多时期用水较少时期，流量甚至是零。使用变频调速方式来完成低谷时期恒压供水节能效果相对显著，和一般工频气压给水设施相比一般节省三分之一的资源。此模式的软起动不会影响到电流，此外便于设备使用时间的延长，另外设备在低速运作时，不会出现明显的声音。使用众多水泵共同供水，基于用水量大小调整综合水泵工作台数。在全流量范畴内依靠设备的连续调整与分级调整，促使供水压力一直维持相应范围内。多泵共同运作取代少数大泵独自供水，减少资金，优势相对明显。第一节省资源，不同泵都能全面高效运作，长此以往运作成本不高；第二，供水稳定性好，假如某泵出现问题，通
46、常不会影响正常供水，小泵维护更换相对便利，节省资源；第三，需要的起动电流不大，不需要提高电源容量；第四，需要依照单台泵来增设变频器容量，减少资金投放。供水较少的时候，为持续降低资源损耗，使用小流量泵来确保正常泄漏和水压。多泵变频循环工作模式的稳定转换，是完成多泵分级调整的重点，可选择相对灵动、稳定性高、抗干扰水平高、调试便利、维修任务量少的PLC通过编程来完成。供水系统的恒压利用压力变送器、PID调节器与变频器过程的闭环调节系管控。基于水压变动，让设备调整电机转速来确保恒定压力。根据上述研究，明确以稳定性高、应用便利、维护便利的变频器与PLC作为关键设施来设计完善的供水系统，大致结构可参考图3.1。图3.1 系统构成方案图3